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2026-01-09 【3D列印】現代無人機助力座頭鯨保護－Bambu Lab印表機如何支援WHASER項目
【3D列印】現代無人機助力座頭鯨保護－Bambu Lab印表機如何支援WHASER項目
Tandem Ventures 開發了一種緊湊型開源無人機系統，用於安全且準確地測量瀕危座頭鯨。
來自Tandem Ventures 的保育工程師 Sam Rogers 和 Edwin Towler與慈善機構 Whale Wise 合作，開發了一種名為 WHASER 的創新測量系統，該系統使用配備 LiDAR 感測器的無人機來研究座頭鯨。
該計畫是為了應對現實世界中的挑戰而創建的，旨在提高人們對鯨魚被漁具纏繞的長期影響的了解——這是這些動物面臨的最嚴重威脅之一。
Bambu Lab，是該計畫的官方合作夥伴之一，在 3D 列印和合適的材料領域提供技術支援。
| 漁具纏繞問題
漁線和漁網纏繞對座頭鯨構成重大威脅。這會限制它們的活動、覓食和呼吸能力，常常導致它們溺水或餓死。
倖存者可能多年都帶著漁具，飽受傷害口、感染和身體機能下降的折磨。漁具纏繞留下的傷疤，是這些事件的永久見證。
先前對問題規模的評估主要依賴從船上拍攝的照片，而這些照片只能顯示鯨魚身體的有限部分。
因此，真正的糾纏事件數量及其對人口健康和適應能力的長期影響仍然被低估了。
| 測量鯨魚是一項技術挑戰
為了解纏繞對座頭鯨健康的影響，科學家必須準確測量其體長和體型比例，以便評估其身體狀況。
在開闊水域測量體長超過十公尺的游泳動物極為困難。傳統的測量工具毫無用處，與鯨魚直接接觸既不可能也不合乎倫理。
因此，Whale Wise 開始使用無人機結合雷射雷達（LiDAR）技術。
無人機拍攝水面鯨魚的圖像，同時光達透過發射紅外線脈衝並記錄返回時間來精確測量無人機的飛行高度。結合高度資料、鏡頭參數和影像，可以高精度地計算出鯨魚的大小。
| 現有設備的局限性
儘管現有的鯨魚觀測系統能夠正常運作並收集到有價值的數據，但它存在許多實際缺陷。外部光達模組體積龐大、重量沉重，並且突出於無人機下方，使其在起飛和降落過程中容易受損。該系統需要人工發射和接住無人機，通常還需要戴上防護手套。
電線裸露在外，距離螺旋槳過近，有安全隱患，增加了故障風險。此外，系統缺乏清晰的用戶回饋——只能透過閃爍的LED指示燈來推斷系統狀態，而無法直接取得數據記錄、電池電量或光達運作等資訊。
即使是像取出 SD 卡這樣的基本任務也需要拆卸外殼，這在惡劣的野外條件下既耗時又危險。
| 設計更好的解決方案
羅傑斯和托勒決定從頭開始重新設計該系統，重點關註三個主要目標：簡化操作和提高安全性，提高資料記錄的可靠性，以及使設備適應更廣泛的工作條件，包括在船上進行的研究。
靈感來自俄勒岡州立大學開發的開源 LiDARBoX 項目，但新項目的目標是更進一步。
該團隊選擇了更現代、更輕的電子元件，並將系統完全整合到一個緊湊的外殼中。
WHASER 的核心是一個 Arduino ESP32 Nano 微控制器，它與一個新型的、更小的 LiDAR 感測器、一個 GPS 模組、一個慣性測量單元 (IMU)、一個 microSD 卡讀卡器、一個 USB-C 充電電池和一個小型 OLED 顯示器一起使用。
每一次設計迭代都使無人機重量逐漸減輕，從而直接延長了無人機的飛行時間。
| 人體工學和“產品”方法
在進行電子元件開發的同時，設備的物理形態也得到了改進。我們利用 Bambu Lab 的 3D 列印機設計並測試了多種外殼方案。其中一種方案採用模組化設計，無人機上固定安裝電子模組，而電子模組則可拆卸。另一種方案則將外殼與用於抓取無人機的把手整合在一起。
經過與非技術用戶的測試，我們選擇了一種混合解決方案——易於快速安裝、安全可靠，並且適用於地面和船上的起降。
最終設計方案也考慮了戴手套操作和在惡劣天氣條件下操作的情況。
| 在冰島進行測試
首個功能齊全的WHASER原型機於夏季在冰島西峽灣與Whale Wise團隊進行了測試。該設備體積更小、重量更輕，內建電池，並配備OLED螢幕，可顯示電池電量、雷射雷達讀數、SD卡狀態和GPS訊號等關鍵資訊。
在測試過程中，該系統在試飛和實際研究條件下均表現良好。系統成功完成了三頭座頭鯨的測量，收集到的數據（包括其中一隻鯨魚10.24公尺的測量長度）與先前的記錄相符，證實了該系統的高精度。
WHASER 的最終版本得到了進一步優化——重量減輕，組裝簡化，充電端口和 SD 卡受到防潮保護，並且設計上與多種無人機型號兼容。
該計畫保持開源狀態，使世界各地的研究團隊能夠進行改編和在地化生產。
WHASER 不僅是一款新型科技產品，更是一款真正有助於鯨豚保護的實用工具。它使科學家能夠專注於研究，而不是疲於應付設備問題。
WHASER計畫並非Tandem Ventures首次涉足工程與海洋保育的交叉領域。此前，該團隊曾與海草計畫（Project Seagrass）和斯旺西大學合作開發了海草收割機——一種用於機械收集海草種子的創新裝置。
該計畫的目標是大幅加快水下海草床的恢復，近幾十年來，由於人類活動，近一半的水下海草床已經消失。
海草收割機無需潛水員進行極其緩慢的人工採集，只需沿著海底拖曳，即可輕柔地切割帶有種子的海草嫩芽，並將其運送到水面。據估計，這種方法比傳統方法快一百倍。
與 WHASER 一樣，使用 Bambu Lab 3D 列印機進行快速原型製作以及開放取用的概念發揮了關鍵作用——完整的專案文件將以開源形式發布，使世界各地的研究團隊能夠進行改編。
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